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多態是C++面向對象三大特性之一，核心價值在於為不同數據類型的對象提供統一接口，讓不同對象執行同一行為時呈現差異化效果，極大提升了代碼的靈活性和可擴展性。
一、多態的核心概念
簡單來説，多態就是“同一行為，不同表現”。生活中最典型的例子就是買票場景：普通人購票需支付全價，學生可享受半價優惠，軍人則擁有優先購票的特權。在編程中，這意味着通過統一的接口調用，不同派生類對象能根據自身特性執行對應的實現邏輯。
二、多態的定義與實現
2.1 虛函數：多態的基礎
類中被virtual關鍵字修飾的成員函數稱為虛函數，它是實現多態的核心載體。
class Person {
public:
// 聲明虛函數，定義基礎行為
virtual void BuyTicket() {
cout << "普通人買票：全價" << endl;
}
};2.2 重寫：多態的實現核心
重寫（又稱覆蓋）指派生類中存在一個與基類虛函數函數名、參數列表、返回值完全一致的函數。即便派生類函數未顯式添加virtual關鍵字，只要基類對應函數是虛函數，仍構成重寫（建議顯式添加以保證代碼規範）。
class Student : public Person {
public:
// 重寫基類虛函數，實現學生購票邏輯
virtual void BuyTicket() {
cout << "學生買票：半價" << endl;
}
};
class Soldier : public Person {
public:
// 重寫基類虛函數，實現軍人購票邏輯
virtual void BuyTicket() {
cout << "軍人買票：優先購票" << endl;
}
};2.3 多態的實現條件
要觸發多態行為，需同時滿足以下兩個條件：
- 調用方式：必須通過基類的指針或引用調用虛函數。
- 函數要求：被調用的函數是虛函數，且派生類已完成重寫。
#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <windows.h>
using namespace std;
class Person {
public:
// 聲明虛函數，定義基礎行為
virtual void BuyTicket() {
cout << "普通人買票：全價" << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
// 重寫基類虛函數，實現學生購票邏輯
virtual void BuyTicket() {
cout << "學生買票：半價" << endl;
}
};
class Soldier : public Person {
public:
// 重寫基類虛函數，實現軍人購票邏輯
virtual void BuyTicket() {
cout << "軍人買票：優先購票" << endl;
}
};
// 接收基類引用，觸發多態
void TicketPurchase(Person& p) {
p.BuyTicket(); // 調用派生類重寫後的函數
}
int main() {
Person ordinary;
Student student;
Soldier soldier;
TicketPurchase(ordinary); // 輸出：普通人買票：全價
TicketPurchase(student); // 輸出：學生買票：半價
TicketPurchase(soldier); // 輸出：軍人買票：優先購票
return 0;
}
若直接通過對象實例調用（非指針/引用），則不會觸發多態，只會執行基類的函數實現。
2.4 虛函數重寫的特殊情況
2.4.1 協變
派生類重寫虛函數時，返回值可與基類虛函數不同，只要滿足“基類函數返回基類指針/引用，派生類函數返回派生類指針/引用”，仍構成重寫。
class Person {
public:
// 基類虛函數返回基類引用
virtual Person& GetIdentity() {
return *this;
}
};
class Student : public Person {
public:
// 派生類虛函數返回派生類引用，構成協變
virtual Student& GetIdentity() {
return *this;
}
};2.4.2 析構函數的重寫
基類析構函數若為虛函數，派生類析構函數無論是否添加virtual、函數名是否一致（編譯器會統一處理為destructor），均構成重寫。這一特性可確保通過基類指針刪除派生類對象時，能正確調用派生類析構函數，避免內存泄漏。
class Person {
public:
// 基類虛析構函數
virtual ~Person() {
cout << "Person 析構" << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
// 派生類析構函數，自動與基類構成重寫
~Student() {
cout << "Student 析構" << endl;
}
};
int main() {
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1; // 輸出：Person 析構
delete p2; // 輸出：Student 析構 → Person 析構
return 0;
}三、抽象類：接口規範
在虛函數後添加=0，該函數即為純虛函數。包含純虛函數的類稱為抽象類（也叫接口類），其核心作用是規範派生類的行為。
- 抽象類無法直接實例化對象。
- 派生類必須重寫所有純虛函數，才能實例化對象；未完全重寫則仍為抽象類。
// 抽象類：定義"交通工具"接口
class Vehicle {
public:
// 純虛函數，規範派生類必須實現"行駛"功能
virtual void Run() = 0;
};
// 派生類：重寫純虛函數，實現具體邏輯
class Car : public Vehicle {
public:
virtual void Run() {
cout << "汽車：四輪行駛，速度較快" << endl;
}
};
class Bicycle : public Vehicle {
public:
virtual void Run() {
cout << "自行車：兩輪騎行，綠色環保" << endl;
}
};
int main() {
// Vehicle v; // 錯誤：抽象類無法實例化
Vehicle* car = new Car;
Vehicle* bike = new Bicycle;
car->Run(); // 輸出：汽車：四輪行駛，速度較快
bike->Run(); // 輸出：自行車：兩輪騎行，綠色環保
return 0;
}
補充説明：普通函數的繼承屬於實現繼承，派生類通過繼承獲得基類函數的實現並可直接使用。而虛函數的繼承則是接口繼承，派生類主要繼承基類虛函數的接口規範，其目的是通過重寫實現多態特性。需要注意的是，若不需要實現多態功能，則不應將函數聲明為虛函數。
#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <windows.h>
using namespace std;
class A
{
public:
virtual void func(int val = 1) { cout << "A->" << val << endl; }
virtual void test() { func(); }
};
class B : public A
{
public:
void func(int val = 0) { cout << "B->" << val << endl; }
};
int main()
{
B* p = new B;
p->test();
return 0;
}
四、多態的底層原理：虛函數表
4.1 虛函數表的本質
含有虛函數的類，實例化對象時會自動生成一個虛函數表指針（_vfptr），通常位於對象內存佈局的起始位置。該指針指向一個存儲虛函數地址的數組，這個數組就是虛函數表（簡稱虛表）。
- 虛表在編譯階段生成，存儲於程序的常量區。
- 每個類（基類、派生類）都有獨立的虛表。
- 派生類虛表會繼承基類虛表的內容，並重寫被覆蓋的虛函數地址，新增的虛函數地址則追加到虛表末尾。
#include <string>
#include <ctime>
#include <windows.h>
using namespace std;
// 抽象類：定義"交通工具"接口
class Vehicle {
public:
// 純虛函數，規範派生類必須實現"行駛"功能
virtual void Run() { cout << "Run 運行" << endl; }
int _vehicle;
};
int main() {
Vehicle v;
return 0;
}
默認位於類起始位置的_vfptr稱為虛函數表指針（簡稱虛表指針）。類中定義的虛函數地址均存儲於此。由於_vgptr存儲的是指針數據，其本質是一個指針數組。
4.2 虛表的驗證與打印
#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <windows.h>
using namespace std;
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Person::買票-全價" << endl;
}
virtual void Func1()
{
cout << "Person::Func1()" << endl;
}
};
//只要是虛函數都會存虛表裏去
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Student::買票-半價" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Student::Func2()" << endl;
}
};
int main() {
Person p;
Student s;
return 0;
}
通過代碼可打印虛表內容，驗證虛函數的存儲情況（以下代碼需在32和64位位環境下都可運行）：
BuyTicket和Func1都被存入了虛表，但Func2並未顯示。實際上Func2同樣被存入了虛表，只是VS在此處進行了特殊處理，導致其未顯示出來。
打印虛表
#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <windows.h>
using namespace std;
// 定義虛函數指針類型
typedef void(*VFPTR)();
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Person::買票-全價" << endl;
}
virtual void Func1()
{
cout << "Person::Func1()" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket() override // 加override更規範
{
cout << "Student::買票-半價" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Student::Func2()" << endl;
}
};
// 打印虛表（增加count參數，控制循環次數，避免越界）
void PrintVTable(VFPTR vTable[], int count) {
cout << "虛表地址：" << (void*)vTable << endl;
for (int i = 0; i < count; ++i) { // 按已知虛函數數量循環
printf("第%d個虛函數地址：%p → ", i, vTable[i]);
vTable[i](); // 調用虛函數
}
cout << endl;
}
int main() {
Person p;
Student s;
// 64位環境：用long long*提取8字節虛表指針（替代原來的int*）
VFPTR* pVTable = (VFPTR*)*(long long*)&p;
PrintVTable(pVTable, 2); // Person有2個虛函數
VFPTR* sVTable = (VFPTR*)*(long long*)&s;
PrintVTable(sVTable, 3); // Student有3個虛函數（繼承2個+新增1個）
return 0;
}
Func2是有被放進虛表裏。
4.3 多繼承下的虛函數表
多繼承場景中，派生類會繼承所有基類的虛表，並將自身重寫的虛函數地址同步更新到各個基類虛表中，新增的虛函數地址則追加到第一個基類的虛表末尾。
#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <windows.h>
using namespace std;
// 定義虛函數指針類型（和能運行的代碼保持一致）
typedef void(*VFPTR)();
// 修復：要麼用count控制循環（安全），要麼保留nullptr判斷（兼容舊邏輯）
void PrintVFTable(VFPTR vTable[]) {
cout << "虛表地址：" << (void*)vTable << endl;
// 循環條件：保留能運行代碼的邏輯（vTable[i]!=nullptr）
for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i) {
printf("第%d個虛函數地址：%p → ", i, vTable[i]);
vTable[i](); // 調用虛函數
}
cout << endl;
}
class Base1 {
public:
virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
int b1 = 1;
};
class Base2 {
public:
virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
int b2 = 2;
};
// 多繼承兩個基類
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
// 重寫兩個基類的func1
virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
// 新增虛函數
virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
int d = 3;
};
int main() {
Derive d;
// 修復：64位環境用long long*提取8字節虛表指針（32位用int*也可）
// 提取Base1的虛表：Derive對象首地址就是Base1的虛表指針
VFPTR* vTable1 = (VFPTR*)*(long long*)&d;
PrintVFTable(vTable1);
// 提取Base2的虛表：偏移Base1的大小（虛表指針+Base1的成員b1）
// 64位下Base1大小=8字節（虛表指針8字節）+4字節（b1）=12字節（編譯器對齊到16字節？實測sizeof(Base1)=16）
VFPTR* vTable2 = (VFPTR*)*(long long*)((char*)&d + sizeof(Base1));
PrintVFTable(vTable2);
return 0;
}
五、關鍵補充知識點
5.1 重載、重寫、重定義的區別
- 重載：同一作用域內，函數名相同但參數（類型、順序、個數）不同，與
virtual無關。 - 重寫：基類與派生類中，函數名、參數、返回值完全一致，且基類函數為虛函數。
- 重定義（隱藏）：基類與派生類中，函數名相同但不滿足重寫條件，派生類函數會隱藏基類函數。
5.2 虛函數的限制
- 靜態成員函數不能是虛函數：靜態成員無
this指針，無法訪問虛表，且通過::調用時不依賴對象。 - 構造函數不能是虛函數：虛表在構造函數初始化列表階段生成，對象創建前虛表不存在。
- 析構函數建議設為虛函數：確保通過基類指針刪除派生類對象時，析構函數能正確調用。
5.3 虛表的存儲位置
虛函數表在編譯階段生成，存儲於程序的常量區（與字符串常量、靜態變量存儲區域一致），而非堆或棧中。
#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <windows.h>
using namespace std;
class A
{
public:
virtual void func1() { cout << "A::func1()" << endl; }
};
class B : public A {};
int main()
{
B b;
printf("虛表：%p\n", *((int*)&b));//可以看出虛表存在常量區
static int x = 0;
printf("static變量：%p\n", &x);
const char* ptr = "hello world";
printf("常量：%p\n", ptr);
int y = 0;
printf("局部變量：%p\n", &y);
printf("new變量：%p\n", new int);
return 0;
}
